Dampak dari perkembangan teknologi yang sangat pesat adalah meningkatnya kabutuhan energi. Upaya pemenuhan energi yang telah dilakukan saat ini sebagian besar diperoleh dari konversi bahan bakar fosil. Penggunaan bahan bakar fosil untuk menghasilkan energi telah menuai banyak masalah, diantaranya adalah permasalahan lingkungan yang diakibatkan oleh emisi hasil pembakaran bahan bakar fosil. Selain itu, bahan bakar fosil tergolong energi yang tidak dapat diperbaharui (unrenewable resources). Oleh karena itu. diperlukan suatu inovasi mengenai energi alternatif yang ramah lingkungan serta dapat diperbaharui. Salah satu inovasi tersebut adalah teknologi hidrogen yang memanfaatkan air untuk menghasilkan gas hidrogen yang kemudian menghasilkan listrik dalam sistem fuel cell. Proses untuk menghasilkan listrik dari gas hidrogen memerlukan membran polimer (Polymer Electrolyte Membrane/PEM) yang mampu menghantar proton (permeabel terhadap proton). Salah satu membran yang saat ini telah banyak digunakan adalah Nafion®. Namun, harga membran polimer tersebut sangat mahal sehingga pengembangan teknologi hidrogen di Indonesia menjadi kurang ekonomis.
Di sisi lain, limbah polimer jenis Low Density Poly-Ethylene (LDPE) dan polistiren dapat dimodifikasi strukturnya sehingga mampu manghantarkan proton dengan baik. Modifikasi dapat dilakukan melalui proses florinasi dan iradiasi pada LDPE dan sulfonasi pada polistiren. Hal ini akan mengakibatkan terbentuknya gugus fungsi yang dapat manghantarkan proton.
Karya tulis ini bertujuan untuk memberikan informasi mengenai pemanfaatan limbah plastik LDPE dan polistiren sebagai membran dalam electrolyzer dan fuel cell. Tujuan lainnya adalah merancang alat Hydrogen Energizer yang memanfaatkan LDPE dan polistiren sebagai PEM Electrolyzer dan PEM Fuel Cell untuk menghasilkan energi listrik dengan bahan baku air.
Metode penulisan dalam penyusunan karya tulis ini dimulai dari penentuan kerangka pemikiran dan penentuan gagasan dengan permasalahan utama adalah kurang ekonomisnya membran yang digunakan pada PEM Electrolyzer dan PEM Fuel Cell saat ini. Gagasan utama untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah pemanfaatan polimer lain seperti LDPE dan polistiren melalui modifikasi struktur polimer. Data-data yang digunakan dalam penulisan merupakan data sekunder yang diperoleh dari kajian pustaka berupa jurnal, artikel, buku, internet, dan diskusi dengan dosen pembimbing. Setelah itu melakukan analisis data, melakukan sintesis dari data yang ada untuk menemukan gagasan kreatif sebagai solusi dari permasalahan, dan memberikan kesimpulan serta saran mengenai pemanfaatan limbah plastik LDPE dan polistiren sebagai membran electrolyzer dan membran fuel cell dalam teknologi hidrogen.
H2 Energizer adalah pembangkit listrik dengan memanfaatkan membran komposit LDPE terflorinasi dengan polistiren tersulfonasi sehingga permeabel terhadap proton. Mekanisme alat ini adalah dengan cara mengelektrolisis air pada membran electrolyzer menjadi gas hidrogen dan oksigen. Energi untuk proses elektrolisis dihasilkan dari solar sel. Gas hidrogen hasil elektrolisis dipisahkan menuju katoda, kemudian dialirkan ke tabung penyimpanan. Dari tabung penyimpanan, hidrogen dialirkan dengan laju tertentu menuju membran fuel cell. Pada unit membran fuel cell, hidrogen ditangkap di anoda menghasilkan proton (H+) dan elektron (e-). Adanya gradien elektrokimia menyebabkan elektron mengalir dari anoda ke katoda melalui kabel, sementara proton melewati membran menuju katoda. Aliran elektron inilah yang kemudian menyalakan lampu yang terhubung dengan katoda dan anoda dari membran fuel cell. Pada bagian katoda membran fuel cell, proton (H+) kemudian bereaksi dengan oksigen yang disuplai dari udara membentuk uap air. Hassil samping pada proses pembakaran H2 hanya berupa uap air sehingga mampu mengurangi tingkat pencemaran udara dan pemanasan global.
Secara garis besar, teknologi hidrogen yang masih belum aplikatif karena mahalnya membran yang digunakan seperti Nafion®. Masalah ini dapat diatasi dengan membuat membran dengan karakteristik yang sama. Pembuatan membran pengganti ini berbahan baku limbah plastik polistiren dan LDPE yang dapat dengan mudah kita dapatkan, sehingga dapat dijadikan suatu solusi alternatif untuk menjadikan penggunaan teknologi hidrogen sebagai salah satu solusi terhadap permasalahan krisis energi dan pencemaran lingkungan.
Upaya yang dapat dilakukan untuk pengembangan pemanfaatan limbah plastik LDPE dan polistiren sebagai membran electrolyzer dan fuel cell dalam pembangkit energi tenaga hidrogen adalah dengan prinsip co-management yaitu kerjasama antara masyarakat, perguruan tinggi/lembaga penelitian, dan pemerintah. Pemerintah dapat berperan sebagai pemberi aspek legalitas terhadap pemanfaatan limbah plastik LDPE dan polistiren sebagai bahan alternatif pembuatan membran electrolyzer dan fuel cell dalam pembangkit energi tenaga hidrogen. Pengembangan teknologi hidrogen di tingkat perguruan tinggi/lembaga penelitian adalah melakukan penelitian sehingga diperoleh teknologi tepat guna. Kemudian di masyarakat berupa penerapan teknologi penghasil energi yang ramah lingkungan.
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dinamika perkembangan ilmu pengetahuan mendorong penciptaan teknologi baru dengan sangat cepat. Perkembangan yang semakin canggih dan meningkatnya teknologi membutuhkan sumber energi dalam skala besar. Secara sederhana dampak dari kemajuan teknologi adalah konsumsi energi berlebih. Saat ini, sektor minyak bumi dan gas masih menjadi andalan bagi pemenuhan kebutuhan energi dalam negeri dan dunia. Berdasarkan data ESDM (2006), minyak bumi mendominasi 52,5% pemakaian energi di Indonesia, sedangkan gas bumi sebesar 19%, batu bara 21,5%, air 3,7%, panas bumi 3%, dan energi terbarukan hanya sekitar 0.2% dari total penggunaan energi. Padahal, cadangan minyak bumi Indonesia berdasarkan ESDM (2006) hanya sekitar 9 miliar barel dan produksi Indonesia hanya sekitar 500 juta barel per tahun. Hal ini berarti jika terus dikonsumsi dan tidak ditemukan teknologi baru untuk meningkatkan recovery minyak bumi, diperkirakan minyak bumi Indonesia akan habis dalam waktu dekat.
Kontinuitas penggunaan bahan bakar fosil (fossil fuel) memunculkan dua ancaman serius. Pertama, faktor ekonomi yaitu berupa jaminan ketersediaan bahan bakar fosil untuk beberapa dekade mendatang, masalah suplai, harga, dan fluktuasinya. Kedua, polusi akibat emisi pembakaran bahan bakar fosil ke lingkungan. Polusi yang ditimbulkan oleh pembakaran bahan bakar fosil memiliki dampak langsung maupun tidak langsung kepada derajat kesehatan manusia dan gas rumah kaca yang dihasilkan (Granovskii, 2007). Kesadaran terhadap ancaman krisis energi dan pencemaran lingkungan telah mengintensifkan berbagai riset yang bertujuan menghasilkan sumber-sumber energi (energy resource) yang lebih terjamin keberlanjutannya (sustainable) dan lebih ramah lingkungan. Salah satu sumber energi alternatif yang sedang dikembangkan saat ini adalah energi hidrogen yang bersumber dari air.
Permasalahan di dunia bukan hanya mengenai krisis energi dan dampak penggunaan bahan bakar fosil saja. Salah satu permasalahan yang saat ini mendapat perhatian khusus dari dunia adalah permasalahan mengenai limbah sampah plastik. Sebagian besar penduduk di dunia memanfaatkan plastik dalam menjalankan aktivitasnya. Berdasarkan data Environmental Protection Agency (EPA) Amerika Serikat dalam Justiana (2009), pada tahun 2001 penduduk Amerika Serikat menggunakan sedikitnya 25 juta ton plastik setiap tahunnya. Salah satu jenis plastik yang banyak digunakan adalah plastik LDPE (Low Density Poly-Ethylene) dan polistiren. LDPE tergolong jenis plastik thermoplastik yang dibuat dari minyak bumi. LDPE dan polistiren biasa dipakai untuk tempat makanan, bahan kemasan, dan botol-botol fleksibel. Penggunaan plastik secara berlebih dapat menyebabkan pencemaran lingkungan karena sifatnya yang tidak dapat terurai.
Perumusan Masalah
Permasalahan pengembangan teknologi hidrogen di Indonesia disebabkan oleh mahalnya harga membran polimer Nafion® yang digunakan untuk memisahkan oksigen dan hidrogen hasil elektrolisis air serta bersifat permeabel terhadap proton (Febrina, 2007). Penggunaan polimer lain yang lebih ekonomis dalam sistem pembangkit energi hidrogen memerlukan upaya untuk merubah matriks polimer menjadi permeabel terhadap proton. Proses untuk menghasilkan listrik dari hidrogen terjadi pada suhu sekitar 120oC. Tingginya suhu yang digunakan dalam sistem ini mengharuskan membran yang digunakan haruslah memiliki struktur yang tetap stabil pada suhu tersebut.
Penggunaan polistiren sebagai membran fuel cell mengalami kendala pada strukturnya yang sangat rapuh pada suhu 120oC. Maka, diperlukan suatu teknik untuk memodifikasi polistiren agar tetap stabil pada suhu 120oC. Polimer lain yang ternyata lebih resisten pada suhu tinggi adalah LDPE, maka diperlukan juga teknik laminasi LDPE dan polistiren yang dapat dijadikan sebagai membran. Pemanfaatan membran hasil modifikasi haruslah diaplikasikan dalam suatu alat penghasil energi. Oleh sebab itu diperlukan suatu rancang bangun alat penghasil hidrogen dari air dan mengubah hidrogen yang dihasilkan menjadi listrik.
Gagasan kreatif
Salah satu upaya untuk mengatasi kendala mahalnya harga membran adalah dengan memanfaatkan polimer lain namun tetap memilki sifat sama seperti Nafion®. Berdasarkan karakteristik struktur LDPE dan polistiren yang mampu dimodifikasi, ternyata penggabungan kedua jenis plastik modifikasi ini mampu menggantikan fungsi Nafion®. Modifikasi ini didasarkan pada penambahan gugus yang mampu menghantarkan proton sehingga membran menjadi permeabel terhadap proton. Teknik yang dapat digunakan untuk memodifikasi LDPE adalah dengan adisi F- melalui perendaman dalam asam florida dan iradiasi sinar gama. Sedangkan modifikasi pada polistiren dapat dilakukan dengan proses sulfonasi (Jamal dkk, 2007). Melalui perlakuan ini, diharapkan komposit LDPE dan polistiren memiliki karakteristik menyerupai Nafion® yang permeabel terhadap proton serta tahan pada suhu tinggi. Membran pengganti Nafion® perlu diuji pada alat pembangkit energi tenaga hidrogen. Rancang bangun alat yang efektif diperlukan agar proses menghasilkan energi dapat berlangsung secara efisien dan mudah diaplikasikan.
Tujuan dan Manfaat Penulisan
Penulisan ini bertujuan untuk memberikan informasi mengenai pemanfaatan limbah plastik LDPE dan polistiren dalam teknologi hidrogen sebagai energi alternatif yang tepat guna dan ramah lingkungan dengan rancang bangun alat Hydrogen Energizer untuk menghasilkan energi listrik dengan bahan bakar air tanpa emisi sehingga dapat mengurangi pencemaran udara.
Manfaat penulisan ini ditujukan bagi mahasiswa, pemerintah, dan masyarakat. Kegunaan bagi mahasiswa adalah sebagai bahan kajian yang diharapkan dapat menambah wawasan dan pengetahuan tentang penggunaan dan manfaat bahan bakar dari teknologi hidrogen. Bagi pemerintah karya ini dapat dijadikan sebagai masukan dalam merancang pembangkit listrik tenaga hidrogen secara kontinyu. Bagi masyarakatenulisan karya tulis ini memiliki kegunaan sebagai media informasi mengenai penggunaan salah satu energi alternatif ramah lingkungan. p
TELAAH PUSTAKA
Energi Hidrogen
Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani; hydro: air, genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Hidrogen adalah unsur yang paling ringan dan paling banyak terdapat di alam semesta. Unsur ini dikandung oleh air dan semua senyawa organik serta makhluk hidup. Hidrogen mampu bereaksi secara kimia dengan kebanyakan unsur lainHidrogen dapat berfungsi sebagai bahan bakar saat bereaksi dengan oksigen. Reaksi sederhana yang dapat menggambarkan proses pembentukan energi pada pembakaran hidrogen adalah sebagai berikut:
2H2 + O2 è 2H2O + Energi (entalpi)
Menurut Helmot (2007) menyebutkan bahwa hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar berbagai jenis kendaraan. Teknologi hidrogen termasuk dalam kategori non-Internal Combustion Engine (ICE) yang memerlukan baterai elektrik pada kendaraan. Linnemann (2006), menyebutkan bahwa produksi hidrogen dapat menghasilkan listrik sebagai salah satu solusi dalam pemenuhan kebutuhan energi. Hidrogen ini dapat dijual dipasaran untuk bahan bakar kendaraan atau untuk dikonversi menjadi tenaga listrik.
Polymer Electrolyte Membrane (PEM)
Polymer Electrolyte Membrane atau Proton Exchange Membrane merupakan membran semipermeabel yang pada umumnya dibuat dari ionomer dan dirancang agar dapat menghantar proton namun bersifat impermeable terhadap gas seperti oksigen atau hidrogen. Sifat ini sangat berperan dalam pemisahan reaktan dan proton yang terjadi pada sel elektrokimia (Wikipedia, 2009). PEM dapat dibuat dari beberapa macam polimer murni ataupun komposit dimana gugus fungsi lain diikatkan pada matriks polimer. Sistem membran ini menggunakan fase penghantar yang bersifat ionik berupa gugus garam yang matriks polimernya bersifat polar seperti anion F-, Cl-, I-, SCN-, ClO4-, CF3SO3-, BF4-, dan AsF6-. PEM dapat digunakan untuk proses elektrolisis (PEM Electrolyzer) dan untuk elektokimia (PEM Fuel Cell) (Fiona, 1997).
PEM Electrolyzer
PEM Electrolyzer merupakan jenis membran filter yang banyak digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi seperti manufaktur dari khlor dan soda api oleh elektrolisis garam, atau pabrik pembuat bahan organik dengan cara elektolisis dari air laut atau yang lainnya. Unit electrolyzer ditempatkan diantara ruang anode dan aa
Gambar 1 Cara kerja PEM Electrolyzer.
PEM Fuel Cell
Fuel cell adalah sebuah alat yang menggunakan prinsip elektokimia yang secara langsung menggubah energi kimia menjadi listik dengan air sebagai produk dari reaksinya (Woonki Na, 2007). Cook (2001) juga menjelaskan bahwa fuel cell ini mengubah hidrogen atau bahan bakar berisi hidrogen ke bentuk energi listrik dan panas melalui reaksi kimia dari hidrogen dengan oksigen.
PEM Fuel Cell tersusun dari sebuah polimer. Polimer yang sering digunakan adalah Nafion®, polimer perfluorinate yang sama dengan Teflon, tetapi tersusun dari sulfur, karbon dan bahan kimia lainya sehingga dapat membentuk proton (Elliot, 2001). Nafion® mempunyai konduktivitas penghantar ion yang tinggi, sifat mekanik, dan kestabilan kimia serta termal yang baik. Akan tetapi biaya produksi dan crossover metanol yang tinggi menjadi kendala penggunaan Nafion®. Oleh karena itu, saat ini banyak dikembangkan material baru yang diharapkan dapat menggantikan fungsi Nafion® dalam fuel cell (Ledyastuti, 2007).
Plastik LDPE
Low Density Poly-Ethylene (LDPE) mempunyai masa jenis antara 0,91 – 0,94 gram/mL dengan 50-60% strukturnya berbentuk kristalin dengan kristalinitas 90%. LDPE memiliki titik leleh 120oC (Billmeyer, 1971). LDPE memiliki sifat fisik yang fleksibel denngan kerapatan kecil (Lenau, 2003).
Sebagian besar LDPE dipakai sebagai kemasan komersial, plastik, pembungkus sabun, dan beberapa botol fleksibel. Keunggulan LDPE sebagai bahan kemasan adalah harganya yang murah, mudahnya proses pembuatan, sifatnya yang fleksibel, dan mudah didaur ulang. Selain itu, LDPE mempunyai daya perlindungan yang baik terhadap uap air, namun kurang baik terhadap gas lainnya seperti oksigen. Jenis plastik ini memiliki ketahanan kimia yang sangat tinggi, namun larut dalam benzena dan tetrachlorocarbon (CCl4) (Billmeyer, 1971).
Satu hal yang berbeda dari kebanyakan plastik bahwa LDPE mempunyai nilai konstanta dielektrik yang kecil, sehingga memiliki sifat kelistrikan yang lebih baik (Billmeyer, 1971). Sifat listrik tersebut semakin baik dengan tingginya jumlah hidrogen atau klorida dan fluorida yang terikat pada struktur polietilen (exceedmpe.com, 2009). Guna menghasilkan sifat listrik yang lebih baik perlu dilakukan modifikasi pada LDPE. Modifikasi LDPE dapat dilakukan dengan pencangkokan asam florida dengan sinar UV (Jamal dkk, 2007). Metode pencangkokan untuk memodifikasi bahan polimer telah banyak digunakan terutama untuk menghasilkan membran selektif penukar ion. Akibat dari polimer yang diradiasi maka akan terbentuk ikatan silang antara molekul polimer. Teknik iradiasi yang digunakan untuk memodifikasi polimer menyebabkan terbentuknya radikal polimer. Radikal polimer ini akan bereaksi dengan HF membentuk LDPE-g-F yang merupakan suatu rantai panjang yang baru (Jamal dkk, 2007).
Polistiren Tersulfonasi
Stiren merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul C6H5CH=CH2. Stiren dapat mengalami reaksi adisi kontinyu sehingga akan terbentuk polimer yang tersusun dari monomer-monomer stiren. 
Prepolimerizer merupakan awal proses dimulainya polimerisasi stiren. Melalui proses tersebut, stiren akan dipolimerisasi (biasanya dengan menggunakan peroksida sebagai oksidator) diaduk hingga campuran reaksi terkonsentrasi menjadi polimer akibat adanya proses pencampuran yang efisien dan perpindahan panas yang baik. Sulfonasi merupakan suatu reaksi substitusi yang bertujuan untuk mensubstitusi atom H dengan gugus -SO3H pada molekul organik melalui ikatan kimia pada atom karbonnya. Polistiren bersifat impermeabel terhadap proton, akan tetapi polistiren yang telah tersulfonasi akan permeabel terhadap proton karena memiliki gugus sulfonat (-SO3H). Gugus ini terbentuk akibat reaksi sulfonasi antara polistiren dengan asetil sulfonat.
METODE PENULISAN
Metode penulisan dalam penyusunan karya tulis ini terdiri dari penentuan kerangka pemikiran dan tahapan penulisan. Tahapan penulisan berisi pengumpulan data, analisis dan sintesis data, rumusan solusi serta pengambilan kesimpulan dan pemberian saran.
Kerangka Pemikiran
SILAHKAN DOWNLOAD DAN LIHAT SELENGKAPNYA KLIK DISINI
You actuаllу mаke it аppear so еasy along with
BalasHapusyοur prеsentation but I find thіѕ topic to be actually something that I thіnk
I might by no meаns unԁеrstand. Ιt sort of feels too сomplex anԁ extremelу
wide for me. I'm having a look forward in your next publish, I will try to get the hang of it!
my homepage; Payday Loans